CN105347211A - 塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统 - Google Patents

Abstract

一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，包括数据采集模块、数据处理模块、控制模块和显示模块；所述的数据采集模块与施工现场的视频监控系统连接；所述的数据处理模块与数据采集模块连接；所述的控制模块与数据处理模块连接；所述的显示模块与控制模块和数据采集模块连接。本发明以图形数值、声音实时显示当前实际工作参数和塔式起重机额定工作能力参数，具有集全景可视、可控、防倾翻和防碰撞功能于一体的功能。

Description

塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体地说是一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统。

背景技术

塔式起重机是一种动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机，作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的运输和安装。

随着建筑业的快速发展，用于高层建筑施工运输的塔式起重机需求越来越大。然而，塔式起重机由于工作重心高、起重载荷大、运行速度快的特点，在作业过程中存在极大安全隐患，尤其是在塔式起重机吊装过程中因斜拉斜拽、拔桩或重物突然卸载导致的塔身倾翻。

由于塔式起重机的工作空间大，操作室空间小，造成了司机视野容易出现盲区，在操作过程中容易与其他建筑物发生碰撞；并且在盲区作业中无线电信号不稳定导致的信号工与塔机司机沟通交流不准确，与周围建筑物或多台近距离交叉作业发生的碰撞，均会给塔式起重机安全施工带来种种隐患，轻者设备损伤、重者机翻人亡。

申请号为2014104115574的对比文件公开了一种塔式起重机远程监控系统，其解决的问题是能够远程监控操作者是否有违规操作的情况，如有异常情况发生可以远程作出补救措施。该发明是针对于监督人员来说的，操作者本人并不能看到视野盲区的情况，解决不了本申请要解决的问题。

申请号为2013105938610的对比文件公开了一种塔式起重机防碰撞系统、方法、装置及塔式起重机，其解决的问题是通过检测塔机的运行状态参数，并与额定参数相比较，来提醒操作者正确操作，起到预警，减少碰撞发生的作用，但是一种塔式起重机防碰撞系统判断塔式起重机与障碍物之间的距离是通过将坐标点投影到水平面上，从而计算出距离，该系统所计算出的距离要小于或等于实际距离，并不能准确的判断间距；而且一种塔式起重机防碰撞系统仅仅给出了一般情况下的障碍物，而现实中的障碍物情况复杂多样，因此该系统提供的一种塔式起重机防碰撞方法并不能完全适用于所有障碍物。

发明内容

本发明提供的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，基于施工现场的视频监控系统，以图形数值和声音实时显示当前的工作状态和参数，与额定工作参数作对比，作出预警、报警，并防止碰撞功能的系统，用于解决在高层建筑物施工时，塔吊司机吊装容易出现盲区、不能实时显示吊装情况的问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，包括数据采集模块、数据处理模块、控制模块和显示模块；所述的数据采集模块用于采集施工现场的视频、与障碍物的距离和塔式起重机的实时运行状态参数，并将采集到的数据发送给数据处理模块；所述的数据处理模块用于对检测到的与障碍物的距离和塔式起重机的实时运行状态参数进行处理，计算塔式起重机与障碍物的三维坐标，并将处理结果发送给显示模块和控制模块；所述的控制模块用于进行预警报警和限制塔式起重机的运行；所述的显示模块用于视频显示、参数显示和报警显示。

进一步地，所述的数据采集模块包括起升重量传感器、幅度传感器、起升高度传感器、回转角度传感器、力矩传感器、风速传感器、倾角传感器和超声波传感器；所述球机摄像头设置在操作室旁，并通过视频采集卡与数据处理模块连接，用于采集施工现场的视频信息；所述的起升重量传感器设置在测力环的中心轴上；所述的幅度传感器用于检测变幅小车在塔机起重臂上的位置，设置在变幅机构的电机轴上；所述的起升高度传感器用于检测吊重的起升高度，设置在起升机构的钢丝绳卷筒轴上；所述的回转角度传感器用于检测塔臂的回转角度，设置在回转齿圈上；所述的力矩传感器用于检测起重力矩，设置在塔机塔头侧腹板上；所述的风速传感器用于检测风速，设置在塔机顶部；所述的倾角传感器用于检测塔身倾斜角度，设置在回转塔身的主肢上；所述的超声波传感器用于检测塔式起重机与障碍物的距离，设置在塔身与塔臂的交点位置。

进一步地，所述的实时运行状态参数包括塔式起重机的起重重量、小车变幅、起升高度、回转角度、起重力矩、风速和倾角。

进一步地，所述的塔式起重机与障碍物之间的距离为起重臂臂尖与与柱状障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与柱状障碍物之间的距离，其具体测量过程是：所述的超声波传感器检测塔臂与塔身的交点到柱状障碍物的距离，所述的回转角度传感器检测塔臂的回转角度；所述的数据处理模块以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，根据塔臂与塔身的交点到柱状障碍物的距离、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算出柱状障碍物的三维坐标；根据起重臂和平衡臂的臂长计算出起重臂臂尖和平衡臂臂尖的三维坐标；根据起重臂臂尖、平衡臂臂尖和柱状障碍物的三维坐标计算出所述起重臂臂尖与与柱状障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与柱状障碍物之间的距离。

进一步地，所述的塔式起重机与障碍物之间的距离为起重臂臂尖与平面障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与平面障碍物之间的距离，其具体测量过程是：所述的回转角度传感器检测塔臂的回转角度，所述的超声波传感器检测塔臂与塔身的交点到以塔身的中心线与塔臂的中心线的交点为圆心、以所述起重臂的臂长为半径的圆面与平面障碍物的交线的距离，所述的数据处理模块以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，根据回转角度和检测到的距离确定任意两点的坐标，确定交线的直线方程，起重臂与平衡臂的臂尖到该交线的垂直距离即为起重臂臂尖与平面障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与平面障碍物之间的距离。

进一步地，所述的塔式起重机与障碍物之间的距离为塔臂臂中与障碍物之间的距离，其具体测量过程是：所述的超声波传感器检测塔臂与塔身交点到障碍物之间的距离，所述的回转角度传感器检测塔臂的回转角度，所述的幅度传感器检测塔吊变幅距离；所述的数据处理模块以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，根据塔臂与塔身交点到障碍物之间的距离、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算出障碍物的三维坐标,根据起重臂和平衡臂的臂长、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算起重臂和平衡臂臂尖的三维坐标；根据塔吊变幅距离、塔臂的回转角度和塔臂高度计算塔臂上两点坐标，确定塔臂所在直线方程；所述的数据处理模块计算障碍物的三维坐标到塔臂所在直线的直线方程的最短距离，所述的障碍物到塔臂臂中的距离为障碍物的三维坐标到塔臂所在直线的直线方程的最短距离。

进一步地，所述的塔式起重机与障碍物之间的距离为吊重与相邻塔式起重机的塔臂之间的距离，所述的球机摄像头采集该塔式起重机与相邻塔式起重机塔臂的相对位置影像，所述的数据采集模块发送给显示模块进行视频显示。

进一步地，所述的控制模块包括预警模块、报警模块和制动模块；所述预警模块的启动条件为实时运行状态参数达到额定运行状态参数的70％-90％，或/和塔式起重机与障碍物之间的距离达到预定安全距离的100％-120％；所述报警模块的启动条件为实时运行状态参数不小于额定运行状态参数，或/和塔式起重机与障碍物之间的距离达到预定安全距离的80％-100％；所述的制动模块包括起升高度行程限位器、回转角度行程限位器和幅度行程限位器；所述的起升高度行程限位器设置在塔式起重机的起升机构的钢丝绳卷筒轴上，用于在起升高度过高时切断起升电机电源；所述的回转角度行程限位器设置在回转齿圈上，用于在回转角度过大时切断回转电机电源；所述的幅度行程限位器设置在变幅机构的电机轴上，用于在变幅幅度过大时切断变幅电机电源。

进一步地，所述的起升高度行程限位器的启动条件为起升重量传感器采集到的数据不小于额定起重重量或/和力矩传感器采集到的数据不小于额定起重力矩；所述的回转角度行程限位器的启动条件为回转角度传感器采集到的数据不小于额定回转角度；所述的幅度行程限位器的启动条件为幅度传感器采集到的数据不小于额定小车变幅。

进一步地，所述的显示模块包括视频影像区、预警报警区、运行状态参数显示区和声音报警器；所述的视频影像区包括全景视频影像区和相对位置影像区，用于显示塔式起重机吊装范围内的全景实时视频影像和塔式起重机与障碍物的相对位置；所述的预警报警区包括预警灯和报警灯；所述的运行状态参数显示区包括起重重量实际值显示区、起重重量额定值显示区、起升高度实际值显示区、起升高度额定值显示区、起重力矩实际值显示区、起重力矩额定值显示区、小车变幅实际值显示区、小车变幅限值显示区、回转角度实际值显示区、回转角度限值显示区、风速实际值显示区、塔式起重机能承受风速的极限值显示区、塔式起重机与障碍物之间的距离显示区和预定安全距离显示区；所述的声音报警器启动的条件是报警模块启动。

进一步地，所述的预警灯包括起重重量超限预警灯、起升高度超限预警灯、起重力矩超限预警灯、小车变幅超限预警灯、起重臂转角超限预警灯、风速超限预警灯和碰撞预警灯；所述的报警灯包括起重重量超限报警灯、起升高度超限报警灯、起重力矩超限报警灯、小车变幅超限报警灯、起重臂转角超限报警灯、风速超限报警灯和碰撞报警灯。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，本发明的数据采集模块与视频采集卡和设置在起重臂的臂尖处的球机摄像头连接，充分利用施工现场视频监控系统，通过监控视频影像指导施工和规避吊重与其他相邻塔式起重机的碰撞。

数据采集模块通过各种类型的传感器采集塔式起重机的实时运行状态参数，并发送给数据处理模块，数据处理模块将额定运行状态参数和实时运行状态参数进行比较，如果超出额定范围，则会进行预警报警，并提醒司机正确操作，预警塔机存在的潜在风险。当实际与障碍物的距离超出了所预定的安全距离时，控制模块也会进行预警报警提示。

现场全景视频影像、塔式起重机与障碍物的相对位置影像、塔机实时运行状态参数、塔机额定运行状态参数以及预警报警集成在显示模块上显示，安装在司机操作室内，可以随着司机的操作实时显示视频影像以及运行状态。

附图说明

图1为本发明的模块结构连接图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为本发明的显示模块示意图；

图4为本发明的起重臂与平衡臂的臂尖与柱状障碍物之间的距离示意图；

图5为本发明的起重臂与平衡臂的臂尖与平面障碍物之间的距离示意图；

图6为本发明的塔臂臂中与障碍物之间的距离示意图；

图中：1、起重重量超限预警灯，2、起重重量超限报警灯，3、起升高度超限预警灯，4、起升高度超限报警灯，5、起重力矩超限预警灯，6、起重力矩超限报警灯，7、碰撞预警灯，8、小车变幅超限预警灯，9、小车变幅超限报警灯，10、起重臂转角超限预警灯，11、起重臂转角超限报警灯，12、风速超限预警灯，13、风速超限报警灯，14、碰撞报警灯,A、视频影像区，B、起重重量实际值显示区，C、起重重量额定值显示区，D、起升高度实际值显示区，E、起升高度额定值显示区，F、起重力矩实际值显示区，G、起重力矩额定值显示区，H、小车变幅实际值显示区，I、小车变幅限值显示区，K、回转角度实际值显示区，L、回转角度限值显示区，M、风速实际值显示区，N、塔式起重机能承受风速的极限值显示区，O、塔式起重机与障碍物之间的距离显示区P、预定安全距离显示区。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括数据采集模块、数据处理模块、控制模块和显示模块；所述的数据采集模块通过视频采集卡与设置在操作室旁的球机摄像头连接，用于采集施工现场的视频、与障碍物的距离和塔式起重机的实时运行状态参数，并将采集到的数据发送给数据处理模块；所述的数据处理模块用于对检测到的与障碍物的距离和塔式起重机的实时运行状态参数进行处理，计算塔式起重机与障碍物的三维坐标，并将处理结果发送给显示模块和控制模块；所述的控制模块用于进行预警报警和限制塔式起重机的运行；所述的显示模块用于视频显示、参数显示和报警显示。

如图2所示，数据采集模块包括起升重量传感器、幅度传感器、起升高度传感器、回转角度传感器、力矩传感器、风速传感器、倾角传感器和超声波传感器；

起升重量传感器设置在测力环的中心轴上，用于检测塔式起重机的起重重量；幅度传感器用于检测变幅小车在塔机起重臂上的位置，设置在变幅机构的电机轴上；起升高度传感器用于检测吊重的起升高度，设置在起升机构的钢丝绳卷筒轴上；所述的回转角度传感器用于检测塔臂的回转角度，设置在回转齿圈上；所述的力矩传感器用于检测起重力矩，设置在塔机塔头侧腹板上；所述的风速传感器用于检测风速，设置在塔机顶部；所述的倾角传感器用于检测塔身倾斜角度，设置在回转塔身的主肢上；所述的超声波传感器用于检测塔式起重机与障碍物的距离，设置在塔身与塔臂的交点位置。

塔式起重机与障碍物之间的距离包括起重臂臂尖与与柱状障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与柱状障碍物之间的距离，具体计算过程为：超声波传感器检测塔臂与塔身的交点到柱状障碍物的距离，回转角度传感器检测塔臂的回转角度；数据处理模块以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，根据塔臂与塔身的交点到柱状障碍物的距离、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算出柱状障碍物的三维坐标；根据起重臂和平衡臂的臂长计算出起重臂臂尖和平衡臂臂尖的三维坐标；根据起重臂臂尖、平衡臂臂尖和柱状障碍物的三维坐标计算出所述起重臂臂尖与与柱状障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与柱状障碍物之间的距离。

塔式起重机与障碍物之间的距离包括起重臂臂尖与平面障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与平面障碍物之间的距离，具体计算过程为：回转角度传感器检测塔臂的回转角度，超声波传感器检测塔臂与塔身的交点到以塔身的中心线与塔臂的中心线的交点为圆心、以起重臂的臂长为半径的圆面与平面障碍物的交线的距离，数据处理模块以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，根据回转角度和检测到的距离确定任意两点的坐标，确定交线的直线方程，起重臂与平衡臂的臂尖到该交线的垂直距离即为起重臂臂尖与平面障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与平面障碍物之间的距离。

塔式起重机与障碍物之间的距离包括塔臂臂中与障碍物之间的距离，具体计算过程为：超声波传感器检测塔臂与塔身交点到障碍物之间的距离，所述的回转角度传感器检测塔臂的回转角度，幅度传感器检测塔吊变幅距离；数据处理模块以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，根据塔臂与塔身交点到障碍物之间的距离、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算出障碍物的三维坐标,根据起重臂和平衡臂的臂长、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算起重臂和平衡臂臂尖的三维坐标；根据塔吊变幅距离、塔臂的回转角度和塔臂高度计算塔臂上两点坐标，确定塔臂所在直线方程；数据处理模块计算障碍物的三维坐标到塔臂所在直线的直线方程的最短距离，障碍物到塔臂臂中的距离为障碍物的三维坐标到塔臂所在直线的直线方程的最短距离。

控制模块包括预警模块、报警模块和制动模块；

预警模块的启动条件为实时运行状态参数达到额定运行状态参数的70％-90％，或/和塔式起重机与障碍物之间的距离达到预定安全距离的100％-120％；

报警模块的启动条件为实时运行状态参数不小于额定运行状态参数，或/和塔式起重机与障碍物之间的距离达到预定安全距离的80％-100％；

制动模块包括起升高度行程限位器、回转角度行程限位器和幅度行程限位器；起升高度行程限位器设置在塔式起重机的起升机构的钢丝绳卷筒轴上，用于在起升高度过高时切断起升电机电源；回转角度行程限位器设置在回转齿圈上，用于在回转角度过大时切断回转电机电源；幅度行程限位器设置在变幅机构的电机轴上，用于在变幅幅度过大时切断变幅电机电源。

起升高度行程限位器的启动条件为起升重量传感器采集到的数据不小于额定起重重量或/和力矩传感器采集到的数据不小于额定起重力矩；回转角度行程限位器的启动条件为回转角度传感器采集到的数据不小于额定回转角度；幅度行程限位器的启动条件为幅度传感器采集到的数据不小于额定小车变幅。

如图3所示，显示模块包括视频影像区A、预警报警区、运行状态参数显示区和声音报警器。

视频影像区A包括全景视频影像区和相对位置影像区，用于显示塔式起重机吊装范围内的全景实时视频影像和塔式起重机与障碍物的相对位置。

预警报警区包括预警灯和报警灯。预警灯包括起重重量超限预警灯1、起升高度超限预警灯3、起重力矩超限预警灯5、小车变幅超限预警灯8、起重臂转角超限预警灯10、风速超限预警灯12和碰撞预警灯7；报警灯包括起重重量超限报警灯2、起升高度超限报警灯4、起重力矩超限报警灯6、小车变幅超限报警灯9、起重臂转角超限报警灯11、风速超限报警灯13和碰撞报警灯14。

运行状态参数显示区包括起重重量实际值显示区B、起重重量额定值显示区C、起升高度实际值显示区D、起升高度额定值显示区E、起重力矩实际值显示区F、起重力矩额定值显示区G、小车变幅实际值显示区H、小车变幅限值显示区I、回转角度实际值显示区K、回转角度限值显示区L、风速实际值显示区M、塔式起重机能承受风速的极限值显示区N、塔式起重机与障碍物之间的距离显示区O和预定安全距离显示区P。

数据采集模块中的起升重量传感器、幅度传感器、起升高度传感器、回转角度传感器、力矩传感器、风速传感器、倾角传感器和超声波传感器分别采集塔式起重机的起重重量、小车变幅、起升高度、回转角度、起重力矩、风速、倾角和塔式起重机与障碍物的距离；发送给数据处理模块和显示模块，数据处理模块将起重重量、小车变幅、起升高度、回转角度、起重力矩、风速和倾角的实际值和额定值进行对比，如果实际值达到额定值的80％时，则数据处理模块控制显示模块进行预警，预警灯亮起，如果实际值等于额定值时，数据处理模块控制显示模块进行报警，报警灯亮起，同时声音报警器进行声音报警，并且同时控制控制模块限制塔式起重机的运行。显示模块显示传感器发送来数据，并将数据显示在运行状态参数显示区上，起重重量实际值显示区B显示起重重量的是实际值，起重重量额定值显示区C显示起重重量额定值，起升高度实际值显示区D显示起升高度实际值，起升高度额定值显示区E显示起升高度额定值，起重力矩实际值显示区显示起重力矩实际值，起重力矩额定值显示区G显示起重力矩额定值，小车变幅实际值显示区H显示小车变幅实际值，小车变幅限值显示区I显示小车变幅额定值，回转角度实际值显示区K显示回转角度实际值，回转角度限值显示区L显示回转角度额定值，风速实际值显示区M显示风速实际值，塔式起重机能承受风速的极限值显示区N显示风速额定值，塔式起重机与障碍物之间的距离显示区O显示塔式起重机与障碍物之间的实际距离，预定安全距离显示区P显示塔式起重机与障碍物之间的预定安全距离。

如图4所示，当障碍物为柱状障碍物或者相邻塔式起重机的塔身时，数据处理模块需要分别计算起重臂与平衡臂的臂尖到柱状障碍物的距离，并建立坐标系，以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，数据采集模块中的超声波传感器检测塔臂与塔身交点到柱状障碍物的距离L，回转角度传感器检测塔臂的回转角度θ，塔臂的高度h，数据处理模块根据塔臂与塔身交点到柱状障碍物的距离、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算出柱状障碍物的三维坐标：B1点的坐标为(x3，y3，z3)，根据起重臂和平衡臂的臂长计算出起重臂臂尖和平衡臂臂尖的三维坐标：A1的坐标为(x1，y1，z1),A2点的坐标为(x2，y2，z2)，(x1，y1，z1，x2，y2，z2,x3，y3,z3为常数,且z1＝z2＝z3)数据处理模块根据起重臂臂尖A1点和平衡臂臂尖A2点的位置坐标，分别计算出B1点到A1点的距离和B1点到A2点的距离，B1点到A1点的距离为： $B1A1=\sqrt{{(x3-x1)}^2+{(y3-y1)}^2},$ B1点到A2点的距离为 $B1A2=\sqrt{{(x3-x2)}^2+{(y3-y2)}^2},$ 再与安全预警距离进行对比，如果两个距离中的任意一个距离达到安全预警距离的110％时，数据处理模块则控制显示模块进行碰撞预警，碰撞预警灯7亮，同时声音报警器进行语音提示，如果两个距离中的任意一个距离达到安全预警距离的90％时，数据处理模块则控制显示模块进行碰撞报警，碰撞报警灯8亮，同时声音报警器进行语音提示，并且同时控制控制模块限制塔式起重机的运行。

如图5所示，当障碍物为建筑物或竖向墙体等平面障碍物时，数据处理模块需要分别计算起重臂与平衡臂的臂尖到平面障碍物的距离，并建立坐标系，以塔身的中心线与地平面的交点O为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，超声波传感器检测到以塔身的中心线与塔臂的中心线的交点o为圆心、以所述起重臂的臂长为半径的圆面与平面障碍物的交线的任意两段距离oB1和oB2，回转角度传感器检测塔臂的回转角度θ1和θ2，数据处理模块根据oB1、oB2、回转角度θ1、θ2和起升高度计算B1和B2两点的坐标，B1的坐标为(x3,y3,z3)，B2的坐标为(x4,y4,z4)，根据B1和B2两点的坐标计算出交线的直线方程ax+by+c＝0，(a,b,c为常数)，数据处理模块根据回转角度、起重臂和平衡臂的臂长和起升高度计算出起重臂和平衡臂臂尖的坐标，起重臂臂尖A1的坐标为(x1,y1,z1),平衡臂臂尖A2的坐标为(x2,y2,z2)，数据处理模块计算出起重臂臂尖A1到直线的距离平衡臂臂尖A2到直线的距离(a1,a2,b1,b2,c1,c2为常数)，将该距离与安全预警距离作对比，如果达到安全预警距离的110％时，数据处理模块则控制显示模块进行碰撞预警，碰撞预警灯7亮，同时声音报警器进行语音提示；如果达到安全预警距离的90％时，数据处理模块则控制显示模块进行碰撞报警，碰撞报警灯8亮，同时声音报警器进行声音报警，并且同时控制控制模块限制塔式起重机的运行。

如图6所示，障碍物除了容易与塔臂臂尖发生碰撞外，还会与塔臂臂中发生碰撞，此时，数据处理模块需要计算塔臂臂中与障碍物之间的距离，并建立坐标系，以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，超声波传感器检测塔臂与塔身交点到柱状障碍物之间的距离L，回转角度传感器检测塔臂的回转角度θ，根据塔臂的高度h，数据处理模块根据塔臂的回转角度θ，幅度传感器检测到塔吊变幅距离，塔壁高度h，计算出起重臂臂中任意两点的三维坐标A1(x1,y2,z3)、A2(x2,y2,z2)，确定塔壁所在直线的直线方程，根据塔臂与塔身交点到柱状障碍物之间的距离、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算出柱状障碍物的三维坐标：B1点的坐标为(x3，y3，z3)，B1点的横坐标为塔臂臂中到障碍物的最短距离，数据处理模块将该距离与安全预警距离作对比，如果达到安全预警距离的110％时，数据处理模块则控制显示模块进行碰撞预警，碰撞预警灯7亮，同时声音报警器进行语音提示；如果达到安全预警距离的90％时，数据处理模块则控制显示模块进行碰撞报警，碰撞报警灯8亮，同时声音报警器进行语音提示，并且同时控制控制模块限制塔式起重机的运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，包括数据采集模块、数据处理模块、控制模块和显示模块；所述的数据采集模块用于采集施工现场的视频、与障碍物的距离和塔式起重机的实时运行状态参数，并将采集到的数据发送给数据处理模块；所述的数据处理模块用于对检测到的与障碍物的距离和塔式起重机的实时运行状态参数进行处理，计算塔式起重机与障碍物的三维坐标，并将处理结果发送给显示模块和控制模块；所述的控制模块用于进行预警报警和限制塔式起重机的运行；所述的显示模块用于视频显示、参数显示和报警显示。

2.根据权利要求1所述的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，所述的实时运行状态参数包括塔式起重机的起重重量、小车变幅、起升高度、回转角度、起重力矩、风速和倾角。

3.根据权利要求1所述的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，所述的数据采集模块包括视频采集卡、球机摄像头、起升重量传感器、幅度传感器、起升高度传感器、回转角度传感器、力矩传感器、风速传感器、倾角传感器和超声波传感器；

所述球机摄像头设置在操作室旁，并通过视频采集卡与数据处理模块连接，用于采集施工现场的视频信息；所述的起升重量传感器设置在测力环的中心轴上，用于检测塔式起重机的起重重量；所述的幅度传感器用于检测变幅小车在塔机起重臂上的位置，设置在变幅机构的电机轴上；所述的起升高度传感器用于检测吊重的起升高度，设置在起升机构的钢丝绳卷筒轴上；所述的回转角度传感器用于检测塔臂的回转角度，设置在回转齿圈上；所述的力矩传感器用于检测起重力矩，设置在塔机塔头侧腹板上；所述的风速传感器用于检测风速，设置在塔机顶部；所述的倾角传感器用于检测塔身倾斜角度，设置在回转塔身的主肢上；所述的超声波传感器用于检测塔式起重机与障碍物的距离，设置在塔身与塔臂的交点位置。

4.根据权利要求3所述的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，所述的塔式起重机与障碍物之间的距离为起重臂臂尖与与柱状障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与柱状障碍物之间的距离，其具体测量过程是：所述的超声波传感器检测塔臂与塔身的交点到柱状障碍物的距离，所述的回转角度传感器检测塔臂的回转角度；所述的数据处理模块以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，根据塔臂与塔身的交点到柱状障碍物的距离、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算出柱状障碍物的三维坐标；根据起重臂和平衡臂的臂长计算出起重臂臂尖和平衡臂臂尖的三维坐标；根据起重臂臂尖、平衡臂臂尖和柱状障碍物的三维坐标计算出所述起重臂臂尖与与柱状障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与柱状障碍物之间的距离。

5.根据权利要求3所述的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，所述的塔式起重机与障碍物之间的距离为起重臂臂尖与平面障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与平面障碍物之间的距离，其具体测量过程是：所述的回转角度传感器检测塔臂的回转角度，所述的超声波传感器检测塔臂与塔身的交点到以塔身的中心线与塔臂的中心线的交点为圆心、以所述起重臂的臂长为半径的圆面与平面障碍物的交线的距离，所述的数据处理模块以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，根据回转角度和检测到的距离确定任意两点的坐标，确定交线的直线方程，起重臂与平衡臂的臂尖到该交线的垂直距离即为起重臂臂尖与平面障碍物之间的距离和平衡臂的臂尖与平面障碍物之间的距离。

6.根据权利要求3所述的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，所述的塔式起重机与障碍物之间的距离为塔臂臂中与障碍物之间的距离，其具体测量过程是：所述的超声波传感器检测塔臂与塔身交点到障碍物之间的距离，所述的回转角度传感器检测塔臂的回转角度，所述的幅度传感器检测塔吊变幅距离；所述的数据处理模块以塔身的中心线与地平面的交点为原点，地平面为xy平面，以塔臂在xy平面的投影为x轴，塔身的中心线为z轴，以与x轴和z轴垂直的线为y轴建立坐标系，根据塔臂与塔身交点到障碍物之间的距离、塔臂的回转角度和塔臂高度计算出障碍物的三维坐标,根据起重臂和平衡臂的臂长、塔臂的回转角度和塔臂的高度计算起重臂和平衡臂臂尖的三维坐标；根据塔吊变幅距离、塔臂的回转角度和塔臂高度计算塔臂上两点坐标，确定塔臂所在直线方程；所述的数据处理模块计算障碍物的三维坐标到塔臂所在直线的直线方程的最短距离，所述的障碍物到塔臂臂中的距离为障碍物的三维坐标到塔臂所在直线的直线方程的最短距离。

7.根据权利要求3所述的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，所述的塔式起重机与障碍物之间的距离为吊重与相邻塔式起重机的塔臂之间的距离，所述的球机摄像头采集该塔式起重机与相邻塔式起重机塔臂的相对位置影像，所述的数据采集模块发送给显示模块进行视频显示。

8.根据权利要求1所述的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，所述的控制模块包括预警模块、报警模块和制动模块；

所述预警模块的启动条件为实时运行状态参数达到额定运行状态参数的70％-90％，或/和塔式起重机与障碍物之间的距离达到预定安全距离的100％-120％；

所述报警模块的启动条件为实时运行状态参数不小于额定运行状态参数，或/和塔式起重机与障碍物之间的距离达到预定安全距离的80％-100％；

所述的制动模块包括起升高度行程限位器、回转角度行程限位器和幅度行程限位器；所述的起升高度行程限位器设置在塔式起重机的起升机构的钢丝绳卷筒轴上，用于在起升高度过高时切断起升电机电源；所述的回转角度行程限位器设置在回转齿圈上，用于在回转角度过大时切断回转电机电源；所述的幅度行程限位器设置在变幅机构的电机轴上，用于在变幅幅度过大时切断变幅电机电源。

9.根据权利要求8所述的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，所述的起升高度行程限位器的启动条件为起升重量传感器采集到的数据不小于额定起重重量或/和力矩传感器采集到的数据不小于额定起重力矩；所述的回转角度行程限位器的启动条件为回转角度传感器采集到的数据不小于额定回转角度；所述的幅度行程限位器的启动条件为幅度传感器采集到的数据不小于额定小车变幅。

10.根据权利要求1所述的一种塔式起重机全景可视、可控、智能监测与防护集成系统，其特征是，所述的显示模块包括视频影像区、预警报警区、运行状态参数显示区和声音报警器；

所述的视频影像区包括全景视频影像区和相对位置影像区，用于显示塔式起重机吊装范围内的全景实时视频影像和塔式起重机与障碍物的相对位置；

所述的预警报警区包括预警灯和报警灯；

所述的运行状态参数显示区包括起重重量实际值显示区、起重重量额定值显示区、起升高度实际值显示区、起升高度额定值显示区、起重力矩实际值显示区、起重力矩额定值显示区、小车变幅实际值显示区、小车变幅限值显示区、回转角度实际值显示区、回转角度限值显示区、风速实际值显示区、塔式起重机能承受风速的极限值显示区、塔式起重机与障碍物之间的距离显示区和预定安全距离显示区；

所述的声音报警器启动的条件是报警模块启动。